熵理论视角下的生态安全研究

曹庭珠

(郑州大学管理工程系，郑州450001)

随着经济社会的高度发展，人类活动对生态环境的压力不断增大，人与自然的矛盾不断加剧。近年来，全球性重大生态灾害接踵而来:地震、海啸、飓风、火山喷发、洪水、干旱、泥石流、水土流失、土地荒漠化、水资源恶化、湿地锐减、生物多样性减少和污染物排放增加、原油泄漏导致的海洋生态系统破坏等等，这些由全球气候变化及人类经济活动引发的生态灾害已对人类生存与国家安全构成严重威胁。生态安全问题成为人类社会共同关注的焦点。生态安全一旦遭到破坏，不仅影响经济发展，还直接威胁人的基本生存条件。我国资源环境形势严峻，生态安全问题尖锐，发达国家在一、二百年工业化过程中曾经出现过的生态环境问题我国在比较短的二、三十年时间之内已经集中暴露出来。当前我国地表水的污染严重，七大水系水质总体为中度污染，湖泊富营养化问题突出，部分城市空气污染较重，农村环境问题日益突出[1]。生态危机已成为严重制约我国现代化进程的瓶颈，生态风险已达到危及国民生存的警戒线程度，进入了生态高风险期[2]。生态危机表面上是一种自然现象，其本质是人类经济活动产生的过量熵增。以熵理论为指导，探究造成生态危机的深层原因，探寻化解危机、维护生态安全的途径，对保障我国生态安全具有重要意义。

1 生态安全的内涵

在我国，生态安全亦称为环境安全、生态环境安全。广义的生态安全以国际应用系统分析研究所(IASA，1989)提出的定义为代表，是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化能力等方面不受威胁的状态。它能为整个生态经济系统的安全和可持续发展提供生态保障，其中包括自然生态安全、经济生态安全、社会生态安全。狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映。

生态安全不是瞬间的结果，而是对人与自然环境复合系统在某一时期、某一阶段过程状态的描述。当一个国家或地区所处的自然生态环境状况能够维系其经济社会可持续发展时，它的生态就是安全的;反之，就不安全[3]。生态安全的内涵一是避免由于生态环境退化和资源短缺对经济发展的环境基础构成威胁，从而维护一个国家的生态环境和自然资源对于本国经济持续发展的环境支撑能力;二是避免由于生态环境严重退化和资源严重短缺造成环境难民并引发暴力冲突，从而防范生态环境问题对区域稳定和国家安全构成的威胁。

生态安全是国家安全的重要组成部分，是国防安全、政治安全和经济安全的基础。我国高度重视生态环境保护，采取了一系列重大措施政策。2000年12月，我国首次明确提出了“维护国家生态环境安全”的目标，认为保障国家生态安全是生态保护的首要任务。生态安全是社会正常运行的充分必要条件，是社会良性发展的必备前提，是社会和谐发展的根本基石。

2 熵理论视角下的生态安全分析

面对全球性生态危机，人类需要客观地揭示造成生态危机的深层原因，并寻找化解危机的良方以实现生态安全。热力学定律帮助我们了解自然界一切活动的运转过程，以使我们能够在一个和谐的自然环境中生活并与自然和谐相处[4]。

自然界人类的一切活动都离不开能量的转移与转化，热力学第一定律指出，能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式。第二定律则进一步指出，能量只能不可逆转地沿着一个方向转化，即对人类来说，是从可利用的状态到不可利用的状态、从有效的状态到无效的状态转化。熵，就是指这种不能再被有效利用、不能再被转化作功的能量之总和。热力学的进一步研究阐明，熵是无序的量度，熵过程就是系统的紊乱程度增加的过程。于是，熵成为宏观系统演化的判据。

根据热力学理论，一切有能量和物质流动的系统都是热力学系统。人类社会环境是一个由社会经济系统与自然生态系统组成的复合生态系统，是一个开放热力学系统，其运行过程必然遵循热力学定律。

对于任何一个开放热力学系统，熵变表示为:

式中:dS是状态函数熵;dSe是外界与系统之间物质和能量交换引起的熵变，简称熵流，可正可负，也可为零;dSi是系统内部不可逆过程引起的熵变，简称熵产生，它总是大于零的。

对于复合生态系统，熵变是指复合生态系统整体的质量状况，通过熵变可以知道复合生态系统是处在安全状态、危机状态，还是临界状态。由熵变模型分别给出自然生态系统和社会经济系统的熵变化公式[5]:

式中:dS1表示自然生态系统的熵变;deSm-12(m=-，+)分别为来自人类改善、补偿环境引起的负熵流和人类社会经济系统对其过度索取及不适当生产行为引起的熵增;deS-11是指自然系统自净能力引起的负熵流，以及其他生物自适应机制过程中所产生的负熵流;diS1j是指自然界不同生物种群通过蒸腾、呼吸、排泄或残骸等能量耗散引起的熵增。

式中:dS2指人类社会经济系统的熵变;deSm-21(m=-，+)分别指自然生态系统能量供给所产生的负熵流和自然生态系统灾变引起的熵增;deS-22指人类自组织引起的负熵流;diS2j指生产消耗和社会变革以及生活消费和社会消费过程中所产生的熵增。

复合生态系统的熵变由正熵和负熵两部分组成:

生态安全状态受到人类活动的影响，而生态安全的演变也会影响到人类活动的功效。人类社会的发展历史实际上也是生态环境的变迁史，更是人类与环境关系不断演化的历史。

在人类早期阶段的狩猎社会，由于人类活动范围很小，而且主要以采摘野生果实、狩猎、捕鱼为主，只是更为自觉有序地去获取生存所需的能量，这样产生的熵数量有限，复合生态系统的负熵很高，系统内部结构十分有序，人和自然环境处于低水平的安全、协调状态[6]。

农业社会中，劳动能力的进一步提高，人类从自然生态系统中获取负熵流能力大大增强，使得负熵流输入量多于以往，人类社会便通过涨落加速向新的稳定态发展，即经济形态进化加速。但同时自然生态系统中的大量负熵流被输入到人类社会经济系统，致使生态系统的局部出现了diS＞|deS|的情况，这表现为人类对自然生态系统开始有一定影响，在一些地区，比如古巴比伦，人类对原始生态进行破坏以获取耕地，使这一地区的生态系统获取负熵流的能力大大下降，这就使得该地区生态系统内熵增的速度加快，最终造成两河流域气候恶化，水土流失，土地沙化，生态环境严重破坏，终于造成文明毁灭。但就复合生态系统总体来说，系统的dS≤0，所以系统依然保持有序的安全、稳定状态。

进入工业社会以后，为了维持地球上过度增长的人口和满足人类无限膨胀的欲望，人类向自然界进行肆无忌惮地索取、掠夺，全然不顾子孙后代的长远利益而无节制地预支自然资源，在资源、环境、生态上造成了巨大的熵增，即资源耗竭、环境污染和生态恶化。从热力学第二定律即熵理论的角度来看，经济活动过程就是一个物质-能量低熵状态输入、高熵状态输出的过程[7]。人类社会系统的负熵或低熵是以自然界的高熵为代价的。人类经济活动产生的过量熵增导致自然界产生了过多的熵，以至于环境系统无法处理这些熵，就会引起一系列的环境问题和生态危机。人类为了获得自己所需的能量而向地球大气中排入了过量的二氧化碳，阻止了地球热量的辐射与扩散，引起空气中的熵增加，造成温室效应;大面积森林的砍伐引起水土流失、土地沙化、水资源短缺、农业减产，减弱了全球的光合作用，减少了氧气向大气的排放;各种经济活动排出的大量的污染物致使环境污染达到前所未有的程度，使环境中的熵增大，有序度降低，环境可用度减少，复合生态系统无序化程度不断增加，进入高熵状态。高熵意味着系统无序混乱程度已达到相当程度，已经威胁到系统的存在，威胁到人类的生存发展。

3 熵视角下维护生态安全的途径

维护生态安全的实质是人类运用经济、法律、行政等各种手段能动地对复合生态系统进行调控，使系统的总熵值降低或维持稳定，实现负熵，克服熵增，以此使生态系统保持其内部稳定而有规则的能量流动，维持其特定的结构和功能，协调自然、经济、社会的发展。自然子系统的负熵过程是一个被动的接受过程，而社会经济系统是一个由人类控制的系统，它的负熵过程则是一个主动过程。为了改善我国的生态安全状况，使得环境与生态能够有效地保障经济发展和社会需求，必须采取有效措施，控制复合生态系统的正熵，减小熵增的速度。同时积极探索开发、利用负熵源的途径，使足够的负熵流源源不断地流入复合生态系统，使系统总熵趋于减少，规避生态风险，化解生态危机，维护我国的生态安全。

3.1 构建低熵发展模式

传统的价值观是生态环境问题产生的根本原因。人类社会的发展应当从以牺牲自然环境系统为代价的高消耗、高污染的高熵经济发展模式中转变出来。熵增最小化的低熵发展模式是实现生态安全的基本路径。低熵发展模式以保护环境与自然资源为优先目标，以较低的环境与资源代价来换取经济的进步与发展，促进经济发展与生态环境保护的动态良性互动，实现人与自然和谐。其实质是要求尽量减少物质的使用和废物的排放，最充分利用负熵流，尽量减少自身系统的熵增，使得所有的物质、能量和信息都得到合理、持续的利用。要在全社会倡导低碳生活方式，推行绿色消费理念，走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。通过循环经济的“减量化，再利用，资源化”、低碳经济的“低能耗，低污染，低排放”、绿色经济的“绿色生产，绿色流通，绿色分配”、清洁生产等主要经济技术模式来实现熵减，减少资源的消耗，减少环境污染，维持生态平衡，使同一环境容量承受更大的经济增长。同时，加快传统产业改造，提高能源资源利用效率。

3.2 遵循自然生态规律

实现生态安全必须遵循自然生态规律，从自然界生态系统整体运行规律的宏观视角来全面审视人类社会的发展问题。人类在认清自己与自然的关系上已付出了巨大的代价，熵概念和熵原理的研究将促进人类的这种认识。只有按照客观规律来认识自然、改造自然与善待自然，才会在资源、环境与人口日益尖锐的环境中找出人类社会持续发展的新路。坚持人类对自然的索取与人类对自然的回馈相互平衡，将自身的行为维持在自然生态系统的承载能力之内，并在此范围内不断提高经济增长的质量和人们的生活品质。一方面，人类不能无限度地把自然物质和自然资源纳入社会经济系统，或过量地向自然界返还废弃的物质，破坏了能量流和物质流的循环。另一方面，人类在社会经济活动中要遵循能量流动的递减性、单向性、不可逆性等规律和物质流动的循环性规律来组织生产，既要考虑人类生存、繁衍和发展的需要，又必须顾及生态、资源的承载力以及环境容量，以实现人与自然和谐，发展经济与改善环境同步。

3.3 加强生态教育

意识是行为的向导，只有意识到人类自身的行为已经严重毁坏自然环境、威胁了人类的生存，人们才会产生减少污染、保护生态环境的诉求，并付诸于行动，以达到改善生态环境的目的。生态思想是复合生态系统最基本、最根本的负熵。加强生态教育、培养人们新型的环境价值观，使生态文化、生态意识成为大众文化和大众意识。唤醒人们的生态良知，增强人们的生态忧患意识、生态参与意识和生态责任意识，使人们形成保护生态环境、爱护生态环境的自律精神。“我们可以通过对自身生活与行为方式的选择，决定世界上有效能量的耗散速度。”[8]政府通过体制、机制创新，让企业与公众主动改变自身选择与行为方式以实现生态安全与经济现实的有机融合，构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，把人类活动的熵增行为控制在最低限度。

3.4 发展生态产业

生态产业要求所有的产业都要符合生态经济规律的要求，生态产业是实现生态安全的重要支撑。生态产业是低熵产业，通过物质和能量多层次分级利用或循环利用，提高物质和能量的转化效率，延长物质和能量转换形式的链条，提高物质和能量的再利用率，从而降低有效物质和能量向熵转换的速率。通过科技的力量使产业从微观到宏观、从技术、工艺、流程到管理等，实现全方位、全过程的生态化。推广测土配方施肥技术，引导、鼓励农民使用有机肥、生物农药或高效、低毒、低残留农药，普及病虫害生物防治、精准施肥和缓释、控释化肥等先进技术，发展高产优质高效生态农业[9]。要用高新技术改造传统产业，推进节能减排和资源综合利用，建设节水、节能、节材型工业和生态工业区。推广实施清洁生产、环境治理、生态环境持续利用、节能减排、新材料和新能源等绿色技术，促进生态工业持续发展。同时，要围绕绿色消费发展森林旅游、生态文化等生态服务业。通过生态农业、生态工业和生态服务业的发展及其互动耦合降低社会经济系统自身的熵增，减少向自然界排放的废熵，避免环境污染，使经济发展步入生态化、绿色化的轨道，实现生态建设产业化、产业发展生态化。

3.5 建立生态安全风险防范体系

生态安全具有范围的整体性、地位的基础性、影响的动态性和保障的艰巨性等特征，生态安全隐患与生态风险问题不容忽视。生态安全问题的生态、经济和社会代价巨大，有时甚至难以恢复和逆转，因此，要建立生态安全防范体系，加强风险评估分析，防患于未然。总熵的增加是潜移默化的，当这种增加达到一定程度时就会出现灾难性的后果。人类对资源环境长期不合理的开发利用所累积的大量生态隐患已严重影响着人类社会的发展。要贯彻风险预防为先的原则，通过建立生态风险预警机制对社会发展过程中出现的危及生态安全的各种风险进行及时地监控，及时发现生态不安全因素的征兆，包括一切生态风险源及生态健康威胁的因素，在生态危机到达临界点前提出预警，给相关部门提供解决问题的方案与对策，从而达到维护生态安全的目的。预防并阻止国外生态危机、生态风险的侵袭，避免发达国家的高熵转嫁，防止对生态环境造成严重破坏和危害人类健康的工业项目甚至大量有毒垃圾迁移到我国。由于生态风险有时表现为突发性和超常规性的特点，需要建立一套生态危机应急机制，以应对突发性的生态环境事故和灾难。

[1]廖进球，吴昌南.关于生态产业发展的几点思考[J].当代财经，2010(12):84-92.

[2]李霞，张忠潮，尹满萍.风险社会理论对维护我国生态安全的启示[J].安徽农业科学，2007，35(29):9378-9380.

[3]叶长卫.论生态农业与国家生态安全[J].科技进步与对策，2004，21(3):18-20.

[4]霍金凯.无序的科学[M].王芷，译.长沙:湖南科学技术出版社，2007.

[5]苗艳青，严立冬.论熵增最小化经济与资源的可持续利用[J].中国人口·资源与环境，2006，16(6):40-43.

[6]杰里米·里夫金.熵:一种新的世界观[M].吕明，等译.上海:上海译文出版社，1987.

[7]Tomas Kaberger，Bengt Mansson.Entropy and Eeonomic Processes-Physics Perspectives[J].Ecological Eeonomics，2001，36:65-79.

[8]周理乾，张云霞.生态与人类社会系统演化的熵增分析和高熵危机[J].佛山科学技术学院学报(社会科学版)，2009，27(5):15-19.

[9]杨朝兴.统筹粮食安全与生态安全问题[J].林业经济，2011(5):58-59.